在电子领域，追求设备的小型化、低成本、高功率和低功耗是长期目标，但这些要求常相互冲突。工程师们依据这些原则实现了诸多技术突破，如计算机的小型化、智能手机的普及及虚拟现实系统的独立使用。然而，随着硅（Si）等材料接近物理极限，进一步减小尺寸和降低功耗变得困难。

氮化镓（GaN）功率器件相较于Si基功率器件，拥有更高的开关速度、更高的功率密度、更小的尺寸和重量、更好的热性能。目前，英飞凌等主要厂商已经利用先进工艺将GaN器件的成本逐渐与Si器件持平，推动了GaN市场的快速增长。本文主要对半导体材料特性对比、GaN衬底材料对比、器件结构对比、以及GaN器件特性等方面进行转载和阐述。

（一）半导体材料特性对比

首先，GaN 的导电效率比Si高 1000 倍，使其能够在更高的电流下工作。这意味着 GaN 器件能够在显着更高的功率下运行，而不会产生太多热量，从而在相同的给定功率下可以做得更小。

尽管 GaN 的热导率略低于硅，但其热管理优势为高功率电子产品开辟了新途径。这对于空间非常宝贵且需要最大限度地减少冷却解决方案的应用尤其重要，例如航空航天和汽车电子产品。GaN 器件在高温下保持性能的能力进一步凸显了它们在恶劣环境应用中的潜力。

其次，GaN 的带隙较大（3.4 eV 与 Si 1.1 eV 相比），允许在介电击穿之前在更高的电压下使用。因此，GaN 不仅能够提供更大的功率，而且可以在更高的电压下提供，同时保持更高的效率。

高电子迁移率还允许 GaN 在更高的频率下使用。这一因素使得 GaN 对于工作频率远高于 GHz 范围的射频功率应用至关重要（这是Si难以应对的）。

然而，在导热性方面，Si略好于 GaN，这意味着 GaN 器件比硅器件具有更大的热要求。因此，导热性的缺乏限制了在高功率下运行时缩小 GaN 器件的能力。

（二）衬底材料对比

外延生长根据衬底类型的不同可分为同质外延和异质外延两大类。同质外延是在GaN单晶衬底上外延生长GaN器件，由于GaN衬底生长难度及速度的限制，晶圆尺寸小且价格昂贵，还未有成熟产品面世。

异质外延顾名思义，即采用非GaN材料作为衬底，常用的有p型硅（p-type Silicon）、蓝宝石（Al2O3）、碳化硅（SiC）等。其中p型硅是目前制造GaN 功率器件最主流的衬底。对比其他衬底类型，其晶圆尺寸最大，单片晶圆价格最低，且能与Si-CMOS（电子载流子）线兼容，是当前发展潜力最大、成本最优的商用化方案。

（三）器件结构对比

GaN HEMT（High Electron Mobility Transistors：高电子迁移率晶体管）是基于AlGaN/GaN异质结，目前市面上还未出现GaN的MOSFET（金属-氧化层-半导体-场效晶体管），主要是因为同质GaN成本太高，一般采用Si或者SiC作为异质衬底，异质衬底就需要在衬底上生长一层缓冲层（AlN），而缓冲层是绝缘的，因此目前的GaN器件还没有MOSFET结构。从结构看，GaN HEMT和Si LDMOS都是横向结构，即他们的源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）都在芯片的上表面。同时为了让电场分布更加均匀，他们都使用了场板的设计。不同之处在于GaN是化合物半导体外延，通过异质结形成高电子迁移率的二维电子气沟道（2DEG）。而Si LDMOS（Lateral Diffused：横向扩散金属氧化物半导体，是高频大功率器件。LDMOS初期主要面向移动电话基站的RF功率放大器。）是在Si外延层上进行掺杂形成P-N结。由于GaN宽禁带的材料特点，与Si功率器件相比， GaN HEMT有更高的耐压，更高的电子迁移率，这使得其在高功率和高频应用中具有更好的品质因数和更广阔的应用前景。GaN器件的横向器件结构使其具有极低的寄生电容，并且GaN器件无体二极管反向恢复电荷（Qrr=0），非常适用于高频小型化功率系统。

基于GaN器件优异的性能，相较于传统Si功率器件，GaN器件能够提升系统开关频率，在降低系统体积的同时提升系统功率密度并且降低系统功耗。

（四）GaN特性总结

（1）GaN功率器件标准：650 V

GaN功率器件的技术路线一般是650 V，因为对于很多电源领域的应用，需要接入220 V市电，母线电容上的电压在输入交流电压整流以后得到大约400 V直流电压，再加上电压尖峰和部分拓扑结构应用中副边反射回来的电压，650 V就成了一个标准的电压要求。

（2）没有雪崩击穿

GaN器件无体二极管，因此GaN器件没有雪崩击穿能力。对于一般雪崩击穿来讲，一旦击穿，就是永久性的，类似于电容里面的介质击穿。对于650 V的器件而言，如果是Si MOSFET管，一般实际击穿电压大约在750 V左右（设计裕量10%），而GaN器件需要提供更高的电压设计裕量，650 V器件至少需要900 V以上的击穿电压（设计裕量>10%）。

（3）没有p型GaN管

Si基有NMOS（电子载流子）和PMOS（空穴载流子），但目前还没有p型GaN HEMT，因此模拟/数字IC的设计与Si不同。没有p型GaN管的原因主要是：首先，离子注入和镁离子低温退火在GaN上难以实现；其次，GaN的空穴迁移率只有30 cm2/Vs，远低于2000 cm2/Vs的电子迁移率。

（4）门级电压7 V

GaN的工艺决定，GaN功率器件的最大门级电压被限制在了7 V，且于现有的Si驱动IC不兼容。

目前，有许多材料正在研究中，另一个主要应用材料是SiC。与 GaN 一样，与Si相比，它具有更高的工作电压、更高的击穿电压和更好的导电性。此外，其高导热性使其能够在极端温度下使用，并且尺寸明显更小，同时控制更大的功率。

但与 GaN 不同的是，SiC 不适合高频，这意味着它不太可能用于 RF 应用。因此，GaN 仍然是寻求制造小型功率放大器的工程师的首选。解决P型问题的一种解决方案是将GaN与P型Si MOS晶体管结合起来，虽然这确实提供了互补的能力，但它本质上限制了GaN的频率和效率。

随着技术的进步，研究人员最终可能会找到 P 型 GaN 器件 或使用可与 GaN 结合的不同技术的互补器件。然而，在那一天到来之前，GaN 将继续受到我们这个时代技术的限制。

半导体研究的跨学科性质，涉及材料科学、电气工程和物理学，强调了克服 GaN 技术当前局限性所需的协作努力。开发 P 型 GaN 或寻找合适的补充材料的潜在突破不仅可以增强 GaN 基器件的性能，还有助于更广泛的半导体技术领域，为更高效、更紧凑和更可靠的电子系统铺平道路将来。

来源：半导体材料与工艺、半导体行业观察、SEMIE半导体

免责声明：本文通过参考公众媒体内容，整理、翻译、编辑而成，仅供读者参考。文中的观点和内容不具有任何指导作用，对读者不构成任何项目建议或承诺！如果本文不慎侵犯您的权益，请与我们联系，我们将及时处理。